Advanced Science | 浙江大学团队揭示影响叶片形状新机制

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-04-30 11:11

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近日，浙江大学农学院棉花精准育种创新团队在国际知名期刊 Advanced Science 发表了题为“ GHCU, a molecular chaperone, regulates leaf curling by modulating the distribution of kngh1 in cotton ” 的研究论文， 揭示了分子伴侣GHCU通过转运HD蛋白，进而调控叶片生长素分布影响叶片形状。

植物在适应不同生态环境的过程中进化出不同的叶形。在发育过程中，叶片经历了一系列的过程，包括初始细胞募集、末梢生长、叶片起始和居间生长 (Du et al., 2018) 。茎尖分生组织(SAM)的侧翼边界连续产生具有背腹结构的幼叶。随后，叶原基通过背侧（植物的正-背侧）、近-远侧和中-外侧发育模式形成平整的叶片。在整个叶片形态发生过程中，转录因子、小rna和激素的调控是紧密协调的 (Gonzalez et al., 2012) 。

农作物叶片适当的卷曲有利于大田通风和作物理想株型的建成 (Zhu et al., 2001; Chen et al., 2010; Li et al., 2017) 。棉花(Gossypium hirsutum)杯状叶突变体自发现至今已有近一个世纪之久 (Yu, 1939) ，但是迄今为止，棉花杯状叶形发育的关键基因及分子机制还不清楚。经过七年研究，棉花精准育种创新团队综合利用遗传学、分子生物学、生物化学、单细胞和空间转录组等研究方法，解析了关键基因GHCU通过转运HD蛋白KNGH1的调控方式，参与棉花叶形调控发育的分子机制： KNGH1只在叶片近轴端（正面）表达，并且抑制生长素的响应，GHCU在棉花中广泛表达，可以把KNGH1从叶片近轴端转运至远轴端（背面）；突变的GHCU丧失了这种转运能力，KNGH1被限制在了叶片正面表达，从而抑制了正面的生长素响应，但是叶片背面依然响应生长素，因此叶片背面的细胞生长速度>叶片正面，形成了背面向正面卷曲的叶形。此外，本研究通过绘制棉花茎尖单细胞转录组与空间转录组图谱，明确了生长素合成通路对叶形发育的重要性，为生长素极性分布调控叶片扁平化发育提供了关键证据。

A working model for explaining leaf blade flattening. The polarity gene KNGH1 and auxin regulate leaf shape through cell proliferation.

该论文的第一作者是现代种业研究所博士后 臧毅浩 和已毕业研究生 许晨雨 。 张天真 教授和胡艳教授为论文通讯作者。新农村发展研究院司占峰副研究员和四川省农科院 邓洁琼 博士参与了本文研究。研究生 俞丽珊 、 马隆恩、玄丽莎、严孙艺、张雅瑶、曹译文 和 李笑然 也参与了该研究。河南大学赵翔教授为本研究提供了宝贵的实验材料。此项研究工作受到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。

参考文献：

Chen Z-X, Zuo S-M, Zhang Y-F, Li L, Pan X-B, Ma Y-Y (2010) Current progress in genetics research and breeding application of rolled leaf in rice. J. Yangzhou Univ. 31: 22-27

Du F, Guan C, Jiao Y (2018) Molecular mechanisms of leaf morphogenesis. Molecular Plant 11: 1117-1134

Gonzalez N, Vanhaeren H, Inzé D (2012) Leaf size control: complex coordination of cell division and expansion. Trends in Plant Science 17: 332-340

Li WQ, Zhang MJ, Gan PF, Qiao L, Yang SQ, Miao H, Wang GF, Zhang MM, Liu WT, Li HF, Shi CH, Chen KM (2017) CLD1/SRL1 modulates leaf rolling by affecting cell wall formation, epidermis integrity and water homeostasis in rice. Plant J 92: 904-923

Yu CP (1939) The inheritance and linkage relations of curly leaf and virescent bud, two mutants in Asiatic cotton. Journal of Genetics 39: 69-77

Zhu D, Lin X, Cao W (2001) Comparison of Leaf Photosynthetic Characteristics among Rice Hybrids with Different Leaf Rolling Index. Acta Genet Sin 27: 329-333

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